基于时间的一次性密码（TOTP）一般用于两步验证中，通过生成动态的6位或者8位的数字密码来增强安全性。这里将结合RFC 6238文档学习TOTP的算法原理并使用JavaScript进行实现。
TOTP的算法
根据RFC 6238，使用HMAC-SHA-1、HMAC-SHA-256或HMAC-SHA-512算法生成一次性密码。
核心步骤如下：
-
共享密钥：用户和服务器之间共享一个密钥，该密钥对外保密，是生成TOTP的基础。通常情况下，这个密钥会经过base32编码，然后去掉填充的
=。 -
时间步长：将当前时间戳按设定的时间步长（通常为30秒）分割。时间步长用于计算时间窗口索引。
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计算时间窗口索引：使用公式
T = floor((currentTime - T0) / X)，其中currentTime是当前时间戳，T0是起始时间（通常为Unix纪元），X是时间步长。T表示时间窗口索引。 -
生成哈希值：使用
HMAC-SHA算法，将密钥和时间窗口索引作为输入，生成一个哈希值。 -
截取动态密码：从哈希值中截取一部分作为一次性密码。
-
密码验证：服务器根据密钥和当前时间戳生成对应的TOTP，并与用户输入的密码进行对比。如果匹配，则验证通过。
JavaScript实现TOTP
以下是一个在JavaScript中实现TOTP的示例代码：
const crypto = require('crypto')
const base32Chars = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ234567'
const base32Lookup = {}
for (let i = 0; i < base32Chars.length; i++) {
base32Lookup[base32Chars[i]] = i
}
function base32Decode(secret) {
let bits = []
for (let i = 0; i < secret.length; i++) {
const value = base32Lookup[secret[i].toUpperCase()]
bits.push(value.toString(2).padStart(5, '0'))
}
bits = bits.join('')
const bytes = []
for (let i = 0; i + 8 <= bits.length; i += 8) {
bytes.push(parseInt(bits.slice(i, i + 8), 2))
}
return Buffer.from(bytes)
}
function generateTOTP(secret, window = 0, digits = 6, algorithm = 'sha1', period = 30) {
const key = base32Decode(secret)
const epoch = Math.floor(Date.now() / 1000)
const timeWindow = Math.floor(epoch / period) + window
const timeBuffer = Buffer.alloc(8)
timeBuffer.writeUInt32BE(0, 0)
timeBuffer.writeUInt32BE(timeWindow, 4)
const hmac = crypto.createHmac(algorithm, key)
hmac.update(timeBuffer)
const hmacResult = hmac.digest()
const offset = hmacResult[hmacResult.length - 1] & 0x0f
const binary =
((hmacResult[offset] & 0x7f) << 24) |
((hmacResult[offset + 1] & 0xff) << 16) |
((hmacResult[offset + 2] & 0xff) << 8) |
(hmacResult[offset + 3] & 0xff)
const otp = binary % Math.pow(10, digits)
return otp.toString().padStart(digits, '0')
}
const secret = '36NFPP3U'
const totp = generateTOTP(secret)
console.log(`TOTP: ${totp}`)代码示例说明
下面对代码实现的几个关键部分进行说明：
- base32Decode：这个函数用于将Base32编码的密钥解码为二进制数据，对于Base32的编解码规则这里不做赘述，有兴趣的请自行搜索。
以36NFPP3U为例，经过解码后，获得的二进制数据是1101111110011010010101111011111101110100
- generateTOTP：这个函数接受五个参数：密钥（secret）、时间窗口偏移（window）、密码位数（digits）、哈希算法（algorithm）和时间步长（period）。
在计算时间窗口时，使用Math.floor(Date.now() / 1000)获取当前的时间戳（以秒为单位），Math.floor(epoch / period)将时间戳按设定的步长分割，计算出时间窗口索引。
再使用HMAC-SHA算法，结合密钥和时间窗口索引生成哈希值。再获取到哈希值的二进制数据，比如这里计算后的二进制数据是0111011111100000101010101101001100100110000010101111111110111101111010111010001101001101011110101001110110100110010010101110000011110001101010011110111111101100，一共160位。
显然这个长度太长了，我们需要截断，截断的算法十分精巧，首先我们将这串数据与0x0f相与，获取最后4位，结果是1100，这就是我们的起始偏移量，十进制为12。
从刚才的160位二进制的第97位开始，与0x7f相与，将首位变为0，保证是正数，然后左移24位作为最高的一个字节，也就是00011101。然后依次取第11、12和13个字节，作为第2、3、4个字节，分别是10100110，01001010，11100000，合并之后得到二进制数00011101101001100100101011100000，换算为10进制是497437408，一般我们取后6位，这样就得到了437408作为密码。
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